R3上带乘法噪声的非自治随机FitzHugh-Nagumo系统的随机指数吸引子
Random Exponential Attractor for Non-Autonomous Stochastic FitzHugh-Nagumo System with Multiplicative Noise in R3
通讯作者:
收稿日期: 2019-03-29
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Received: 2019-03-29
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该文考虑非自治随机FitzHugh-Nagumo系统的随机指数吸引子(具有有限分形维数且指数吸引轨道的正不变紧可测集)的存在性,这表明该系统解的长期行为可以用有限个独立参数刻画.证明的关键是系统的解的尾估计和分解系统的两解之差为三部分,其中一部分属于有限维空间,另外两部分在时间变量和空间变量充分大时都变得足够小.
关键词:
The article considers the existence of a random exponential attractor (positive invariant compact measurable set with finite fractal dimension and attracting orbits exponentially) for non-autonomous stochastic FitzHugh-Nagumo system in R3, which deduces that the long-term behavior of solutions of system can be characterized by finite independent parameters. The proof is based on the "tail" estimation of solutions of systems and decomposing the difference of two solutions into three parts that one part belongs to finite-dimensional space and both of other two parts become small enough when both time variable and space variable are large enough.
Keywords:
本文引用格式
韩宗飞, 周盛凡.
Han Zongfei, Zhou Shengfan.
1 引言
其中
(A1)
(A2)存在函数
本文讨论FitzHugh-Nagumo系统(1.1)的随机指数吸引子的存在性.文献[29]的定理2.1给出了连续余圈存在随机指数吸引子的判据.注意到由于其(3.45)式中
本文结构安排如下:第2节简要回顾随机指数吸引子的相关知识并给出随机指数吸引子存在的新判据.第3节证明FitzHugh-Nagumo系统(1.1)存在随机指数吸引子.
2 预备知识
本节我们给出可分Banach空间上的连续余圈的随机指数吸引子存在的新判据.
设
定义2.1[12] 称
用
定义2.2[12] 称映射
定义2.3[27] 称
在下文中,为方便起见,将" a.e.
定理2.1 令
(H1) 存在
(h11)
(h12)
(H2) 存在正常数
其中
(H3)
其中"
那么
(ⅰ)
(ⅱ)
(ⅲ)
(ⅳ)存在随机变量
证 注意到该定理的条件与文献[29]中定理2.1的条件中唯一不同的是关于
其中
现在证明条件(H3)能推出(2.1)式,这其实是对定理2.1[29]的证明中的相应部分的改进.令
(a)若
(b)若
记
根据(H3),可得
其中
从以上两式知,对于任意
根据(2.2)式和Hölder不等式可知,对
由(H3)可以推出,
根据(2.3)式可以得到
证明的其余部分类似于文献[29,定理2.1]中相应的部分.
3 随机指数吸引子的存在性
在这一节中,考虑系统(1.1)的解产生的连续余圈的随机指数吸引子的存在性.这里我们总是假设(1.1)中的函数
令
令
定义样本空间
由文献[34-35, 38]知,对任意
其中
对任意
对任意
其中
关于系统(3.2)的解有如下结果.
引理3.1 对任意
(ⅰ)系统(3.2)的具有初值
和
(ⅱ)系统(3.2)的具有初值
(ⅲ)系统(3.2)的具有初值
即
证 (ⅰ)取内积
可得
对(3.7)式在
和
由
(ⅱ)根据(3.8)式和
对(3.7)式在
由于
从(3.10)式可知
进一步有
取内积
可知,对
取
对上式在
其中
(ⅲ)由(ⅰ)和(ⅱ)可知(ⅲ)成立.引理3.1证毕.
接下来考虑解在
对任意
从引理3.1知
可以断言
事实上,对任意的
由于
取函数
其中
关于解的尾估计有如下结果.
引理3.2 对任意
(ⅰ)
其中
(ⅱ)存在正常数
其中
(ⅲ)对任意
证 从(3.13)和(3.14)式知,对任意
(ⅰ)取内积
可得
对(3.18)式在
(ⅱ)取内积
令
考虑(1.2)和(3.21)式,有
由
因此
类似(3.19)式,对(3.18)式在
因为
注意到
考虑(3.23)–(3.28)式,再由(3.20)式可以推出
对(3.11)式在
注意到
对(3.29)式在
其中
令
那么(3.16)式成立.
(ⅲ)由于
由(ⅰ)和(ⅱ)可知(ⅲ)成立.引理3.2证毕.
接下来考虑随机指数吸引子的存在性.
对任意
则
(A)对任意
(B)
(C)对任意
其中
由引理3.2 (ⅲ)知(C)成立.
为证明
接下来验证
对任意的
考虑到
基于(3.2)式,有
下面的引理说明
引理3.3 对任意
特别地,有
证 取内积
可以得到
对上式应用Gronwall不等式推出(3.37)–(3.38)式成立.引理3.3证毕.
接下来对解进行分解.考虑特征值问题
其中
此外,对于给定的
对于给定的
令
那么
对给定的
那么
那么
令
那么
是系统(3.36)的解,其中
其中
那么系统(3.36)的解
接下来在
引理3.4 对固定的
证 取内积
根据(3.37)式和
(3.4)式可以变为
对(3.41)式在
由
结合(3.42)和(3.43)式,可以得到
其中
取内积
可以得到
对(3.44)式在
因此,
引理3.4证毕.
引理3.5 对任意
其中
证 取内积
由(3.1)式和
应用(3.1), (3.35)和(3.48)式可知,对
其中
由(1.2), (3.1), (3.49)式和Hölder不等式,有
根据(3.37)式可知
应用(3.50)式, (3.51)式和
其中
其中
因此, (3.46)式成立.引理3.5证毕.
引理3.6 对固定的
(ⅰ)对任意
(ⅱ)对任意
其中
证 应用(3.38), (3.39)和(3.46)式,可得
对任意
再次应用(3.38), (3.39)和(3.46)式,可得(ⅰ)和(ⅱ)成立.引理3.6证毕.
接下来验证期望
引理3.7[45] Ornstein-Uhlenbeck过程
其中
引理3.8 若系统(1.1)中的参数
那么
证 显然,由(3.56)式, (3.57)式和
根据(3.4)和(3.5)式可得
由(3.3), (3.6), (3.58), (3.59)和(3.60)式,有
其中
令
注意到
从(3.62)式,引理3.7和
可以推出
在(3.63)式中用
考虑到(3.62)式, (3.64)式和引理3.7,从(3.4)式可知,对
因此
由Hölder不等式, (3.57)式, (3.66)式和引理3.7可以得到
应用Hölder不等式,有
由Hölder不等式, (3.57)式, (3.66)式和引理3.7,可以推出
从而
根据引理3.7, (3.57), (3.61), (3.63), (3.64), (3.67)和(3.68)式可以得到
引理3.8证毕.
下面给出本节的主要结果.
定理3.1 假设(A1)–(A2)和(3.57)式成立.那么
(ⅰ)
(ⅱ)
(ⅲ)存在正数
(ⅳ)对任意
证 在(3.53)式的右端和(3.54)式中取
从引理3.8可得
记
由于
取充分小的
对固定的
因此
对任意
根据以上讨论和性质(A),性质(B),引理3.6,引理3.8可知,
其中
注3.1 定理3.1表明
因此,系统(1.1)的长期行为可以用有限个独立参数刻画.
参考文献
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Characteristic exponents for a viscous fluid subjected to time dependent forces
Pullback attractors for asymptotically compact non-autonomous dynamical systems
Attractors for random dynamical systems
Random attractors
Sufficient and necessary criteria for existence of pullback attractors for non-compact random dynamical systems
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Singleton sets random attractor for stochastic FitzHugh-Nagumo lattice equations driven by fractional Brownian motions
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Global attractors for partly dissipative random/stochastic reaction diffusion systems
Random attractors for partly dissipative stochastic lattice dynamical systems
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Exponentially stable stationary solutions for stochastic evolution equations and their perturbation
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Attractors for a damped stochastic wave equation of Sine-Gordon type with sublinear multiplicative noise
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